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单晶硅椭圆振动辅助纳米切削过程中表面质量及脆性-韧性转变的分子动力学模拟研究
摘要
采用分子动力学(MD)模拟方法研究了单晶硅在椭圆振动辅助纳米切割(EVANC)和传统纳米切割过程中与金刚石刀具的表面质量和脆性-管状转变。在模拟中，样品中硅原子之间的相互作用是用Tersoff势来模拟的，而Morse势是用来描述样品中硅原子与金刚石工具中碳原子之间的相互作用的。在本研究中，我们发现EVANC不仅将脆性模式切削转变为延性模式切削，而且使相变层比传统的纳米切削更薄，从而导致更好的表面光洁度和更大的材料去除率。在此，应力分析表明，EVANC加工的工件的应力影响区域小于传统纳米切削加工的工件。在EVA NC过程中，温度也升高了。这可能会软化硅材料，使切割更容易。在EVANC中，由于脆性-导管转变的变化，切向力和法向力减小。从仿真结果来看，EVANC在延性模式下去除材料，可以提高去除率，改善表面修整，降低切削力，降低刀具磨损。总之，EVANC对硅材料的加工性和表面光洁度有积极的影响。
- 引言
单晶硅广泛应用于电子产品、工业自动化、计算机系统和精密光学。为了保证高表面质量和复杂的光学和半导体产品的特点，应在硅上进行超精密加工方法。然而，通过普通的加工方法，可以产生严重的地下损伤和裂纹。去除硅工件表面的非晶层也很困难[3]。在加工过程中，较大的切削力也会导致严重的刀具磨损.因此，需要一种实用的加工方法来解决这些问题。椭圆振动辅助加工是一种新兴的超精密加工方法，已发展成为一种可靠的硬材料加工方法。在EVAM中，刀具尖端是在椭圆运动中驱动的，以改善制造过程。研究中的实验表明，EVAM可以降低切削力[4–6]。Shamoto等人对EVAM中的切削力进行了详细的研究[7]。他们发现EVAM中的最大瞬时力小于1DVAM和传统加工中的最大瞬时力。他们还发现，推力逆转了每个切割周期的部分方向[8]。不幸的是，没有研究合理 地解释实验现象。EVAM的另一个优点是表面质量提高[9]。 Uhlmann等人对陶瓷进行了单粒划痕试验。结果表明，振动辅助磨削可以提高表面质量，提高材料去除率，而不会造成超比例的地下损伤[10]。此外，EVAM作为一种将脆性切削转变为韧性切削的有效加工方法。在硅上进行了沟槽切削实验，并对脆性材料进行了延性加工。他们保持延性切割到3.5毫米的深度与一个可接受的表面质量[7]。梁等人在没有椭圆超声振动的情况下对蓝宝石进行了划痕实验。他们从扫描电镜图像表明，椭圆超声辅助划痕可以在切削的临界深度将 脆性模式切削转变为延性模式切削[14]。然而，为什么椭圆振动辅助刮削会导致脆性-导管转变仍然是一个有争议的问题。对其加工机理进行了理论分析。分子动力学(MD)模拟是原子尺度上的一种有效方法。 一些研究人员进行了MD模拟，以解释为什么在切割单晶硅和碳化硅(SiC)等硬质材料时会发生脆性-导管转变。张等人通过MD纳米切割模拟对单晶硅进行了研究，发现极小的切割深度、较大的切割半径和负耙角对硅延性模式的去除有积极的影响。肖15等人通过MD切削模拟研究了用金刚石刀具切割碳化硅工件的过程。他们认为，增加切削深度可以使延性模式切削转变为脆性模式切削。拉伸应力随切削深度的增加而增大，拉伸应力可能导致预先存在的裂纹。虽然传统纳米切割的各种理论分析在研究中得到了应用，但对EVAM的研究却很少。为了研究EVAM在像硅这样的脆性材料上的原子尺度上的机理，我们设计了MD模拟模型来研究传统的纳米切割和椭圆振动辅助纳米切割(EVANC)之间的差异。从切屑形成、残 余形貌、Von Mises剪切应力、原子等方面进行了模拟，并与切削力进行了比较。
- 仿真方法
2.1MD仿真模型
在模拟中，我们构建了一个三维MD纳米切割模型，如图所示该模型由金刚石切割刀和单晶硅试样两部分组成。 试样沿X、Y 和Z方25.00nm9.00nm16.00nm。 试样由196个466个硅原子组成，金刚石切割刀具由23392个碳原子组成为了金刚石刀具，前角为0，间隙为7，刀具半径为1.0nm。金刚石的硬度远大于硅[17,18]，因此可以假定金刚石工具在模拟过程中不发生变形。因此，将金刚石刀具视为刚体试样的X-Y平面是用自由表面构造的，因为试样是在X方向切割的。模拟中的硅 原子被分为三个部分，即牛顿原子、恒温器原子和边界原子。边界原子的作用是减少边界效应，保持晶格的适当对称性恒温器原子被分类，以确保有合理的外部热传导远离加工区。牛顿原子和恒温器原子的运动受牛顿第二定律的支配。此外，为了减小模拟尺度，沿Z方向设置了周期边界条件在模拟中，使用了普林 普顿公司开发的大规模原子/分子大规模并行模拟器(LAMMPS)进行MD模拟[19]。利用可视化分子动力学(VMD)、开放可视化工具 (OVITO)和AtomEye对模拟结果进行了可视化[20]。图给出了仿真过程。单晶硅试样沿[100]方向在（010）表面加工。与传统的纳米切割相比，EVANC中的工具周期性地振动。金刚石工具进行“椭圆振动切割”，同步X和Y定向振动。在模拟中，X方向为切削方向，Y方向垂直于加工表面。在每个振动周期中，切削刃在X-Y平面上形成一个椭圆轨迹将切削速度设定为50ms，以减少计算时间和计算量为配合切削速度[24]，振动周期为25ps。25金刚石刀具在X方向和Y方向的振幅分别为2.0nm 和1.0nm。模拟在296K的初始温度模拟室温。模拟模型中使用的参数列于表1。
图1 三维MD仿真模型
2.2. 势能函数的选择
适当的相互作用势函数决定了模拟过程的准确性和MD模拟的结果。在MD模拟中有两种类型的原子：硅原子和碳原子。因此，应考虑三种不同的原子相互作用。第一种相互作用是硅原子(Si-Si) 之间的相互作用，第二种相互作用是碳原子(C-C)之间的相互作用，第三种相互作用是硅原子与碳原子(Si-C)之间的相互作用。硅-硅相互作用和碳-碳相互作用可以用Tersoff势很好地描述；因此，在模拟中采用Tersoff势来描述硅-硅相互作用。Tersoff势公式如下：
图2 纳米切割过程原理图(a)传统的纳米切割和(b)椭圆振动辅助纳米切割
E和Vij分别表示所有原子键的总能量和键能。i、j和k是系统，Rij是原子i和j的键长，bij是键序项，qijk表示键ij和键ik之 间的夹角，排斥对势和吸引对势是表示R和fA，fC是一个平滑的截止函数，以限制电位的范围，Xij 表示其他键到原子I除了键ij。其他参数从参考文献中引用，列于表2。用摩尔斯势来描述刀具中的碳子与试样中的硅原子之间的相互作用。潜力表示如下：
其中V(Rij)是对势，D，a和R0对应于内聚能、弹性模量和原子分别在平衡时的距离。电位参数的值为D.435eV、A1/446.487n m1和R1/419475nm。这些参数是从参考文献中引用的。
3. 模拟结果与讨论
在分析其他性能之前，需要对EVANC和传统纳米切割的机理进行比较。在EVANC和图中，3显示了在一个振荡周期内的原子排列。给出了传统纳米切削的相对切削距离。
图3 从11.25nm的距离来看，EVNAC在一个振荡周期内的横断面图。(a)-(f)显示EVANC的一个完整时期
图 3(a)-(f)在一个完整的时期内给出了EVANC进程。在EVANC中，蓝色部分，如图所示，表示金刚石结构，白色部分为非晶结构。在图中3(a)，刀具处于最低位置，切削方向沿X轴负方向。工具鼻子与未加工金刚石结构之间的非晶结构厚度为1.2nm。切削过程中切削方向发生变化如图结果表明，材料沿刀具运动方向向上扫成切屑，EVANC中的切削过程对下表面影响不大。 工件表面是一个自由表面，原子不会有太大的阻力形成芯片。在EVA NC中也有一个时期，当工具远离主硅工件时，被加工的区域不会改变其形貌（图中用黄色虚线标记）。3(d)-(f))。此外，EVAN C与EVAM也有一定的差异。当金刚石刀具远离工件时，EVANC中的芯片附着在刀具上。这有两个原因：第一，在原子尺度上， 硅原子和碳原子一个很大的引力效应，这是由Tersoff势描述的；28秒，较高的 切削速度导致更高的温度，这使得芯片如此之差。在初始切削阶 段，切屑质量较小，有粘附于金刚石刀具的倾向。图4(a)-(f)显示了与EVANC比较的传统纳米切割的连续过程。刀具沿X轴负方向运动，在切削过程中方向不发生变化。 工具鼻子与未加工金刚石结构之间的非晶结构厚度为1.8nm，如图所示。4(a)，厚于EVANC。在传统的纳米切割过程中，在金刚石工具下面可以发现一层厚厚的非晶层（用黄色虚线突出显示）。这种现象可能是由于传统纳米切割过程中切割方向不变造成的。这种切削模式导致了压缩诱导区域的形成，压缩应力导致了地下层。本文讨论了详细的分析方法。
图4 从11.25nm的距离看传统纳米切割过程的横截面图。(a)-(f)和图3(a)-(f)是时间上的一致性
图5 当刀具Rt=41.0nm和d=41.5nm时，切屑形成区试样变形的横截面图。(a)椭圆振动辅助纳米切割和(B)传统纳米切割。
3.1通过EVANC和传统纳米切割
图5显示了切屑形成区工件变形的横截面图和图。6给dyy切屑形成区的应力分析。试样中的变形区用图中的红色粗体线标记。5.如图 5(a)表明，根据原子排列，在芯片形成过程中不存在EVANC诱导的峰区域。非晶相区的原子被剪切应力压制并移动到自由表面。因此，EVANC去除的材料被认为是延性模式的纳米切割然而在图中可以清楚地看到峰值。5(b)。峰值是随着刀具向 前移动而形成的 峰的位置在耙面和工具边缘的点前面。如图中黄色虚线圆圈所示。在硅试样上的峰值区前面，峰值变形区扩展，导致拉伸应力状态。材料趋于分裂，从而导致裂纹的产生因此，该材料通过传统的切削加工表现出脆性模式。
图6 刀具Rt/1.0 nm和d/1.5 nm时切屑形成区动态应力场的横截面图。（a）椭圆振动辅助纳米切割和传统纳米切割。
3.2EVANC与传统表面垂度的分析纳米切割
图七是单晶硅原子在切割过程中相变的横截面图。将试样中的配位数用原子眼分析相变范围。列出配位数和颜色，消除配位数 等于四(c-硅)的原子，以减少观察的干扰图从传统的纳米切割过程和分子动态过程中得到7(a)。芯片和切削诱导区由非晶硅原 子组成硅原子主要是与b-硅(n1/46)混合的非晶硅该模拟结果可描述为：金刚石立方四配位c-硅通过传统的纳米切割过程转化 为六配位b-硅。然而，在图中。7(b)，只有少量的c-硅转化为 b-硅。在传统的纳米切削过程中，刀具的运动是线性的。一些硅原子在工具前面向下移动，因为拉伸应力分析如图所示。7(b)。原子被刀具压制，从c硅转变为b硅当工具经过时，硅原子 的应力被释放，一些非晶硅恢复到原来的结构。在EVANC中，刀具的轨迹是椭圆形的，运动方向随时间而变化。因此，很少有原子被向下压成加工表面的非晶层，b-硅的数量很小。正在处理的受影响硅层的高度标记为H1，处理的受影响硅层的高度标记为H2，去除的材料厚度标记为H3。显然，通过传统纳米切割加工的非晶层的厚度大于EVANC加工的厚度，即ht1gt;he1。这可以证明，在传统的纳米切割中，由于刀具运动方向不变，更多的硅原子被刀具压制以改变相位。虽然加工表面有材料回收，但传统纳米划痕的影响层仍然比EVANC更厚，ht2gt;he2。因此，通过EVANC可以降低加工表面受影响层的厚度。根据Shi等人的调查，受影响的层可以减少。纸硅工件表面的硬度。因此，EVANC可以提高表面质量。如图中黄色线突出显示的区域所示。在传统的纳米切割过程中，有一个明显的弹性恢复。恢复来自应力卸载产生的应变（3）。胡克定律用刚度来描述这种关系
在模拟中，工件上的法向力沿[010]方向，因此刚度C可以看作是 [010]方向E010上的杨氏模量。因此，公式（13）可写如下
应力值是由刀具的法向力引起的，如图所示。在传统的纳米切割中，法向力大于EVANC。因此，传统切削的应变小于EVANC的应变，导致弹性恢复的距离较大。回收的材料接触到间隙面，这导致间隙面刀具磨损通过纳米切割。然而，在图中。7(b)，刀具与切削诱导表面之间有间隙。这可以避免间隙面与工件之间的摩擦，避免了刀具的磨损。此外，材料去除率也不同。可以观察到，通过EVANC去除的材料数量大 于通过传统切割去除的材料数量，因为ht3lt;he3。芯片区的原子数（蓝色虚线框突出显示）可以更清楚地消除这种情况。在EVA NC中的芯片原子数，如图所示。比传统的纳米切削中的材料要大，这意味着在相同的切削深度和切削距离下，通过EVANC去除更多的材料，因此EVANC的材料去除率较大。
图7 相变原子的横截面图在纳米切割过程中。（a）传统纳米切割和（b）椭圆振动辅助纳米切割。
3.3Von Mises通过椭圆的剪应力分析
振动辅助纳米切割和传统的纳米切割等效von Mises应力方程是一种屈服准则，用于确定塑性屈服开始时的屈服应力状态是否发生在固体元素中。强调的内容如下：
其中S1、S2和S3是主应力。图在纳米切割过程中，9显示了Vo
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